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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024021912
(43)【公開日】2024-02-16
(54)【発明の名称】レーザー干渉計
(51)【国際特許分類】
G01B 9/02056 20220101AFI20240208BHJP
G01B 9/02015 20220101ALI20240208BHJP
G01P 3/36 20060101ALI20240208BHJP
【ＦＩ】
G01B9/02056
G01B9/02015
G01P3/36 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022125103
(22)【出願日】2022-08-04
(71)【出願人】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091292
【弁理士】
【氏名又は名称】増田 達哉
(74)【代理人】
【識別番号】100173428
【弁理士】
【氏名又は名称】藤谷 泰之
(74)【代理人】
【識別番号】100091627
【弁理士】
【氏名又は名称】朝比 一夫
(72)【発明者】
【氏名】山田 耕平
【テーマコード（参考）】
2F064
【Ｆターム（参考）】
2F064AA01
2F064CC01
2F064EE01
2F064FF01
2F064GG22
2F064GG38
2F064GG49
2F064HH03
(57)【要約】
【課題】振動素子の振動条件によらず、測定対象物に由来するドップラー信号を高精度に復調することができるレーザー干渉計を提供すること。
【解決手段】レーザー光を射出する光源と、駆動信号により駆動する振動素子を備え、レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、対象物に由来するサンプル信号および変調信号を含むレーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、基準信号に基づいて受光信号からサンプル信号を復調する演算部と、駆動信号および基準信号を出力する信号生成部と、を備え、光変調部は、第１振動部およびこれと逆相で振動する第２振動部を有する振動素子と、第１振動部に設けられ、レーザー光を変調させる第１光変調器と、第２振動部に設けられ、第１光変調器で変調されたレーザー光を変調させる第２光変調器と、第１光変調器で変調されたレーザー光を第２光変調器に入射させる迂回光路と、を有するレーザー干渉計。
【選択図】図１
【解決手段】レーザー光を射出する光源と、駆動信号により駆動する振動素子を備え、レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、対象物に由来するサンプル信号および変調信号を含むレーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、基準信号に基づいて受光信号からサンプル信号を復調する演算部と、駆動信号および基準信号を出力する信号生成部と、を備え、光変調部は、第１振動部およびこれと逆相で振動する第２振動部を有する振動素子と、第１振動部に設けられ、レーザー光を変調させる第１光変調器と、第２振動部に設けられ、第１光変調器で変調されたレーザー光を変調させる第２光変調器と、第１光変調器で変調されたレーザー光を第２光変調器に入射させる迂回光路と、を有するレーザー干渉計。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー光を射出する光源と、
駆動信号により駆動する振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、
対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する演算部と、
前記駆動信号および前記基準信号を出力する信号生成部と、
を備え、
前記光変調部は、
第１振動部、および、前記第１振動部と逆相で振動する第２振動部、を有する前記振動素子と、
前記第１振動部に設けられ、前記レーザー光を変調させる第１光変調器と、
前記第２振動部に設けられ、前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を変調させる第２光変調器と、
前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を前記第２光変調器に入射させる迂回光路と、
を有することを特徴とするレーザー干渉計。
駆動信号により駆動する振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、
対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する演算部と、
前記駆動信号および前記基準信号を出力する信号生成部と、
を備え、
前記光変調部は、
第１振動部、および、前記第１振動部と逆相で振動する第２振動部、を有する前記振動素子と、
前記第１振動部に設けられ、前記レーザー光を変調させる第１光変調器と、
前記第２振動部に設けられ、前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を変調させる第２光変調器と、
前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を前記第２光変調器に入射させる迂回光路と、
を有することを特徴とするレーザー干渉計。
【請求項2】
前記振動素子は、互いに表裏の関係を有する、前記第１振動部である第１面、および、前記第２振動部である第２面、を有し、厚みすべり振動モードを有する厚みすべり振動型素子であり、
前記第１光変調器は、前記厚みすべり振動型素子の前記第１面に設けられる第１回折格子であり、
前記第２光変調器は、前記厚みすべり振動型素子の前記第２面に設けられる第２回折格子である請求項１に記載のレーザー干渉計。
前記第１光変調器は、前記厚みすべり振動型素子の前記第１面に設けられる第１回折格子であり、
前記第２光変調器は、前記厚みすべり振動型素子の前記第２面に設けられる第２回折格子である請求項１に記載のレーザー干渉計。
【請求項3】
前記振動素子は、前記第１振動部である第１腕部、および、前記第２振動部である第２腕部、を有する音叉型素子であり、
前記第１光変調器は、前記第１腕部の表面に設けられる第１反射面であり、
前記第２光変調器は、前記第２腕部の表面に設けられる第２反射面である請求項１に記載のレーザー干渉計。
前記第１光変調器は、前記第１腕部の表面に設けられる第１反射面であり、
前記第２光変調器は、前記第２腕部の表面に設けられる第２反射面である請求項１に記載のレーザー干渉計。
【請求項4】
前記音叉型素子は、前記第１腕部および前記第２腕部が並ぶ腕部形成面の面内において振動する面内振動モードを有する請求項３に記載のレーザー干渉計。
【請求項5】
前記音叉型素子は、前記第１腕部および前記第２腕部が並ぶ腕部形成面と交差する方向に振動する面外振動モードを有する請求項３に記載のレーザー干渉計。
【請求項6】
前記信号生成部は、前記振動素子を信号源とし、前記振動素子に前記駆動信号を出力し、前記振動素子を発振させることにより、前記基準信号を出力する発振回路を備える請求項１に記載のレーザー干渉計。
【請求項7】
前記振動素子は、水晶振動子である請求項１に記載のレーザー干渉計。
【請求項8】
ｎを２以上の整数とするとき、前記光変調部は、前記レーザー光をｎ回以上変調させる機能を有し、
前記振動素子が前記駆動信号により駆動するときの周波数をｆＭ［Ｈｚ］とし、前記レーザー光を１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間に前記レーザー光が進んだ光学的距離をＬｔ［ｍ］とするとき、前記迂回光路は、Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭを満たす請求項１に記載のレーザー干渉計。
前記振動素子が前記駆動信号により駆動するときの周波数をｆＭ［Ｈｚ］とし、前記レーザー光を１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間に前記レーザー光が進んだ光学的距離をＬｔ［ｍ］とするとき、前記迂回光路は、Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭを満たす請求項１に記載のレーザー干渉計。
【請求項9】
前記レーザー光をｎ－１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間に前記レーザー光が進んだ光学的距離をＬ［ｍ］とし、光速をｃ［ｍ／ｓ］とするとき、前記迂回光路は、ｎ≦ｃ／（４ＬｆＭ）を満たす請求項８に記載のレーザー干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザー干渉計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、振動している物体にレーザービームを照射し、ドップラー効果により変化したレーザービームの周波数を利用して、物体の速度を測定するレーザードップラー速度計（レーザー干渉計）が開示されている。レーザードップラー速度計では、物体の振動現象の方向性を検出するために、レーザー光源から射出された光を変調する構造が必要となる。このため、特許文献１では、音響光学変調器や電気光学変調器を用いることが開示されている。
【0003】
また、特許文献２には、高価なＡＯＭ（音響光学変調器）に代えて、ピエゾ素子または水晶振動子のような振動素子を用いたレーザー振動計（レーザー干渉計）が開示されている。これらの振動素子にレーザー光を照射することにより、レーザー光の周波数がシフトする。このようにして周波数がシフトしたレーザー光を参照光として用いることにより、振動している物体によってドップラーシフトを受けた散乱レーザー光からドップラー信号を復調する。そして、このドップラー信号から物体の振動速度を計測することができる。このようなレーザー振動計によれば、安価な振動素子を用いることができるので、レーザー振動計の低コスト化が図られる。
【0004】
一方、特許文献３には、光変調器に正弦波信号を印加し、レーザー光源からの光ビームを周波数偏移させた参照光ビームと、光ビームを被測定対象に照射して得られる反射光ビームと、を光検出素子で受光するとともに、受光信号に対して所定の演算処理を行い、その後、ＦＭ復調処理を行うように構成されたレーザードップラー速度計が開示されている。このようなレーザードップラー速度計では、ＦＭ復調処理の前に所定の演算処理を行うことで、参照光ビームの周波数が正弦波状に偏移する場合でも、受光信号から被測定対象の速度に応じた信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平９－５４２９３号公報
【特許文献2】特開２００７－２８５８９８号公報
【特許文献3】特開平２－３８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
振動素子を用いたレーザー干渉計では、被測定対象の速度を正しく計測することができない場合がある。具体的には、振動素子の振動条件によっては、参照光における変調信号の強度が著しく小さくなる。そのような場合には、被測定対象に由来するドップラー信号を高精度に復調することができない。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
レーザー光を射出する光源と、
駆動信号により駆動する振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、
対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する演算部と、
前記駆動信号および前記基準信号を出力する信号生成部と、
を備え、
前記光変調部は、
第１振動部、および、前記第１振動部と逆相で振動する第２振動部、を有する前記振動素子と、
前記第１振動部に設けられ、前記レーザー光を変調させる第１光変調器と、
前記第２振動部に設けられ、前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を変調させる第２光変調器と、
前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を前記第２光変調器に入射させる迂回光路と、
を有する。
レーザー光を射出する光源と、
駆動信号により駆動する振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記レーザー光に変調信号を重畳させる光変調部と、
対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する演算部と、
前記駆動信号および前記基準信号を出力する信号生成部と、
を備え、
前記光変調部は、
第１振動部、および、前記第１振動部と逆相で振動する第２振動部、を有する前記振動素子と、
前記第１振動部に設けられ、前記レーザー光を変調させる第１光変調器と、
前記第２振動部に設けられ、前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を変調させる第２光変調器と、
前記第１光変調器で変調された前記レーザー光を前記第２光変調器に入射させる迂回光路と、
を有する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。
【図5】振動素子の振動周期に対するタイムラグΔｔの比率［％］と、複数回の変調によるＢ値の相対値と、の関係を示すグラフである。
【図6】第１実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図7】第１実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図8】第２実施形態に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図10】第２実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図11】第２実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図12】第３実施形態に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図14】主振動モード（面内振動モード）の周波数特性と、副次振動モード（面外振動モード）の周波数特性と、を示す概念図である。
【図15】第３実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【図16】第３実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計が備えるセンサーヘッド部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のレーザー干渉計を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
【0010】
【0011】
図１に示すレーザー干渉計１は、センサーヘッド部５１と、本体部５９と、を備える。センサーヘッド部５１は、小型化および軽量化が容易で、可搬性および設置容易性を持たせやすいため、例えばレーザー干渉計１による計測対象である、図２に示す対象物１４の近くに配置可能である。本体部５９は、センサーヘッド部５１から離して配置可能であり、例えばラック等に収容されていてもよい。
【0012】
図１に示すセンサーヘッド部５１は、干渉光学系５０および信号生成部６を備える。本体部５９は、演算部５２を備える。
【0013】
１．１．センサーヘッド部
１．１．１．干渉光学系
干渉光学系５０は、マイケルソン型干渉光学系である。干渉光学系５０は、図２に示すように、光源２と、ビームスプリッター４１、４２と、１／４波長板４３と、ミラー４４、４５と、光変調部１２と、受光素子１０と、を備える。
１．１．１．干渉光学系
干渉光学系５０は、マイケルソン型干渉光学系である。干渉光学系５０は、図２に示すように、光源２と、ビームスプリッター４１、４２と、１／４波長板４３と、ミラー４４、４５と、光変調部１２と、受光素子１０と、を備える。
【0014】
光源２は、レーザー光Ｌ１を射出する。光変調部１２は、振動素子３０および迂回光路７を備えており、レーザー光Ｌ１の位相を変化させ、変調信号が重畳される。
【0015】
光源２から射出されたレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター４１に入射し、２つに分割される。一方のレーザー光Ｌ１は、ミラー４４を介して迂回光路７に向かい、他方のレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター４２に向かう。
【0016】
図２に示す迂回光路７は、一方のレーザー光Ｌ１を振動素子３０に向けて２回照射するように、レーザー光Ｌ１を導く光路である。
【0017】
また、振動素子３０は、互いに逆相で振動する第１振動部３１および第２振動部３２を有しており、第１振動部３１および第２振動部３２を用いてレーザー光Ｌ１に変調信号を重畳させる。なお、本明細書では、振動素子３０に設けられた構造体とレーザー光との相互作用によってレーザー光に変調信号が重畳されることを、「振動素子を用いてレーザー光に変調信号を重畳させる」という。
【0018】
１回目の照射により、レーザー光Ｌ１が振動素子３０の第１振動部３１に照射されると、位相を変調させる変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。レーザー光Ｌ２１は、迂回光路７を介して、振動素子３０の第２振動部３２に向けて照射される。つまり、迂回光路７は、互いに逆相で振動する第１振動部３１および第２振動部３２にそれぞれレーザー光が照射されるように、レーザー光を迂回させる機能を有する。２回目の照射により、レーザー光Ｌ２１には再び変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。つまり、レーザー光Ｌ２２は、レーザー光Ｌ１に対し、２回の位相変調を行って得られた光である。ここで、第１振動部３１および第２振動部３２は、互いに逆相で振動しているため、２回の照射では、互いに同じ方向にレーザー光Ｌ１の位相をシフトさせることができる。生成されたレーザー光Ｌ２２は、ミラー４５を介してビームスプリッター４２に入射する。そして、レーザー光Ｌ２２は、ビームスプリッター４２を透過して、受光素子１０に入射する。
【0019】
他方のレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター４２に入射した後、１／４波長板４３を透過して、対象物１４に入射する。対象物１４に入射したレーザー光Ｌ１には、対象物１４の速度や位置に応じてサンプル信号が付加される。これにより、レーザー光Ｌ１は、対象物１４に由来するサンプル信号を含むレーザー光Ｌ３として反射する。レーザー光Ｌ３は、再び１／４波長板４３を透過してビームスプリッター４２に戻った後、ビームスプリッター４２で反射され、受光素子１０に入射する。
【0020】
受光素子１０は、入射したレーザー光Ｌ２２、Ｌ３を受光し、その強度を電気信号に変換する。
【0021】
以下、干渉光学系５０の各部についてさらに説明する。
１．１．１．１．光源
光源２は、可干渉性を有するレーザー光Ｌ１を射出するレーザー光源である。光源２には、線幅がＭＨｚ帯以下の光源が好ましく用いられる。具体的には、Ｈｅ－Ｎｅレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed FeedBack - Laser Diode：分布帰還型レーザーダイオード）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber Bragg Grating付き Laser Diode：ファイバーブラッググレーティング付きレーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザーダイオード）、ＦＰ－ＬＤ（Fabry-Perot Laser Diode：ファブリーペロー型半導体レーザーダイオード）のような半導体レーザー素子等が挙げられる。
１．１．１．１．光源
光源２は、可干渉性を有するレーザー光Ｌ１を射出するレーザー光源である。光源２には、線幅がＭＨｚ帯以下の光源が好ましく用いられる。具体的には、Ｈｅ－Ｎｅレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed FeedBack - Laser Diode：分布帰還型レーザーダイオード）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber Bragg Grating付き Laser Diode：ファイバーブラッググレーティング付きレーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザーダイオード）、ＦＰ－ＬＤ（Fabry-Perot Laser Diode：ファブリーペロー型半導体レーザーダイオード）のような半導体レーザー素子等が挙げられる。
【0022】
光源２は、特に半導体レーザー素子であるのが好ましい。これにより、光源２を特に小型化することが可能になる。このため、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。
【0023】
１．１．１．２．ビームスプリッター
ビームスプリッター４１は、光源２とミラー４４との間に配置される偏光ビームスプリッターである。ビームスプリッター４１は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる機能を有する。この機能により、ビームスプリッター４１は、レーザー光Ｌ１を２つに分割する。したがって、前述した一方のレーザー光Ｌ１は、Ｐ偏光であり、他方のレーザー光Ｌ１は、Ｓ偏光である。なお、ビームスプリッター４１に入射するレーザー光Ｌ１は、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比が例えば５０：５０である直線偏光になるように、任意の光学要素を通過してもよい。
ビームスプリッター４１は、光源２とミラー４４との間に配置される偏光ビームスプリッターである。ビームスプリッター４１は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる機能を有する。この機能により、ビームスプリッター４１は、レーザー光Ｌ１を２つに分割する。したがって、前述した一方のレーザー光Ｌ１は、Ｐ偏光であり、他方のレーザー光Ｌ１は、Ｓ偏光である。なお、ビームスプリッター４１に入射するレーザー光Ｌ１は、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比が例えば５０：５０である直線偏光になるように、任意の光学要素を通過してもよい。
【0024】
ビームスプリッター４１を透過したＰ偏光である一方のレーザー光Ｌ１は、ミラー４４で反射され、迂回光路７に入射する。また、迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、振動素子３０で位相が２回変調され、レーザー光Ｌ２２となる。レーザー光Ｌ２２は、ビームスプリッター４２に入射する。
【0025】
ビームスプリッター４１で反射されたＳ偏光である他方のレーザー光Ｌ１は、図示しない１／２波長板でＰ偏光に変換され、ビームスプリッター４２に入射する。ビームスプリッター４２は、ビームスプリッター４１と１／４波長板４３との間、および、ミラー４５と受光素子１０との間に配置される偏光ビームスプリッターである。ビームスプリッター４２は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる。この機能により、他方のレーザー光Ｌ１は、１／４波長板４３を介して対象物１４に入射する。対象物１４に入射したレーザー光Ｌ１は、ｆｄ［Ｈｚ］のドップラーシフトを受ける。これにより、対象物１４に由来するサンプル信号を含むレーザー光Ｌ３が生成される。レーザー光Ｌ３は、再び１／４波長板４３を介してビームスプリッター４２に戻る。レーザー光Ｌ３は、Ｓ偏光であるため、ビームスプリッター４２で反射され、受光素子１０に入射する。
【0026】
なお、ビームスプリッター４１は、無偏光ビームスプリッターであってもよい。その場合、ビームスプリッター４１と迂回光路７との間、および、ビームスプリッター４１とビームスプリッター４２との間に、それぞれ、偏光を制御する光学要素を設けるようにすればよい。
【0027】
１．１．１．３．迂回光路
迂回光路７は、ミラー４４とミラー４５との間を光学的に接続するように配置され、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に向けて２回照射するように構成されている。
迂回光路７は、ミラー４４とミラー４５との間を光学的に接続するように配置され、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に向けて２回照射するように構成されている。
【0028】
迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ビームスプリッター７６と、１／４波長板７７と、を備える。
【0029】
ビームスプリッター７２は、例えば偏光に応じてレーザー光Ｌ１、Ｌ２１の光路を切り替える機能を有する。具体的には、ビームスプリッター７２は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる。前述したビームスプリッター４１を透過し、ミラー４４で反射されたレーザー光Ｌ１は、Ｐ偏光であるため、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して振動素子３０に入射する。
【0030】
振動素子３０は、互いに逆相で振動する第１振動部３１および第２振動部３２を有する。迂回光路７は、第１振動部３１および第２振動部３２にそれぞれ１回ずつ照射するようにレーザー光を迂回させる。
【0031】
レーザー光Ｌ１は、まず、振動素子３０の第１振動部３１で反射される。このとき、レーザー光Ｌ１は、＋Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトを受ける。位相シフト量Φｍは、Φｍ＝Ｂｓｉｎ（２π＊ｆｍ＊ｔ）と表される。Ｂは、位相シフトで付加される変調信号の位相偏移（Ｂ値）であり、ｆｍは、変調信号の周波数であり、ｔは、時間である。位相シフトにより、レーザー光Ｌ１には、位相を変調させる変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、Ｓ偏光であるため、ビームスプリッター７２で反射され、さらにミラー７４、７５で順次反射され、ビームスプリッター７６に入射する。
【0032】
ビームスプリッター７６は、例えば偏光に応じてレーザー光Ｌ２１、Ｌ２２の光路を切り替える機能を有する。具体的には、ビームスプリッター７６は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる。このため、レーザー光Ｌ２１は、ビームスプリッター７６で反射され、１／４波長板７７を介して振動素子３０に入射する。
【0033】
レーザー光Ｌ２１は、振動素子３０の第２振動部３２で反射される。このとき、レーザー光Ｌ２１は、＋Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトを受ける。これにより、レーザー光Ｌ２１には、位相を変調させる変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。その結果、レーザー光Ｌ２２は、＋２Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトに対応した変調信号を含む。生成されたレーザー光Ｌ２２は、再び１／４波長板７７を介してビームスプリッター７６に戻る。レーザー光Ｌ２２は、Ｐ偏光であるため、ビームスプリッター７６を透過し、ミラー４５で反射され、ビームスプリッター４２に入射する。そして、レーザー光Ｌ２２は、ビームスプリッター４２を透過し、受光素子１０に入射する。
【0034】
ビームスプリッター４２では、レーザー光Ｌ２２とレーザー光Ｌ３とが干渉し、干渉光が生じる。干渉光は、従来よりも高いＳ／Ｎ比のうなりを持つことになる。演算部５２は、このうなりの周波数や位相に基づいて、最終的に、対象物１４の速度や位置を高い精度で算出することができる。
【0035】
以上のように、図２に示す迂回光路７では、ビームスプリッター７２、７６および１／４波長板７３、７７を用いることにより、レーザー光を振動素子３０に２回照射することが可能になっている。
【0036】
１．１．１．４．受光素子
干渉光が受光素子１０に入射すると、受光素子１０は、干渉光の強度に応じた光電流（受光信号）を出力する。この受光信号から後述する方法でサンプル信号を復調することにより、最終的に、対象物１４の動き、すなわち速度や位置を求めることができる。受光素子１０としては、例えばフォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。なお、受光素子１０で受光するのは、サンプル信号および変調信号を含むレーザー光であればよく、光学系の構成によって異なるため、上記の干渉光に限定されない。また、本明細書における「受光信号からサンプル信号を復調する」には、光電流（受光信号）から変換された様々な信号からサンプル信号を復調することを含む。
干渉光が受光素子１０に入射すると、受光素子１０は、干渉光の強度に応じた光電流（受光信号）を出力する。この受光信号から後述する方法でサンプル信号を復調することにより、最終的に、対象物１４の動き、すなわち速度や位置を求めることができる。受光素子１０としては、例えばフォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。なお、受光素子１０で受光するのは、サンプル信号および変調信号を含むレーザー光であればよく、光学系の構成によって異なるため、上記の干渉光に限定されない。また、本明細書における「受光信号からサンプル信号を復調する」には、光電流（受光信号）から変換された様々な信号からサンプル信号を復調することを含む。
【0037】
１．１．１．５．振動素子
図３は、図２の光変調部１２が備える振動素子３０の概略構成を示す図である。
図３に示す振動素子３０は、板状をなしており、電位を加えることにより、面に沿う方向に歪むモード（厚みすべり振動モード）の振動を繰り返す。このようなモードで振動する素子を、厚みすべり振動型素子という。厚みすべり振動型素子としては、例えば、水晶ＡＴ振動子、水晶ＢＴ振動子等が挙げられる。これらの水晶振動子は、圧電体である水晶片と、水晶片に設けられた電極と、を有する。水晶振動子では、水晶が持つ極めて高いＱ値を利用して、レーザー光Ｌ１にＳ／Ｎ比の高い変調信号を付加することができる。
図３は、図２の光変調部１２が備える振動素子３０の概略構成を示す図である。
図３に示す振動素子３０は、板状をなしており、電位を加えることにより、面に沿う方向に歪むモード（厚みすべり振動モード）の振動を繰り返す。このようなモードで振動する素子を、厚みすべり振動型素子という。厚みすべり振動型素子としては、例えば、水晶ＡＴ振動子、水晶ＢＴ振動子等が挙げられる。これらの水晶振動子は、圧電体である水晶片と、水晶片に設けられた電極と、を有する。水晶振動子では、水晶が持つ極めて高いＱ値を利用して、レーザー光Ｌ１にＳ／Ｎ比の高い変調信号を付加することができる。
【0038】
図３に示す振動素子３０は、第１振動部３１である第１面３１１、および、第２振動部３２である第２面３２１を有する。図３に示す第１面３１１（第１振動部３１）および第２面３２１（第２振動部３２）は、互いに逆相で振動する。互いに逆相で振動するとは、互いに同じ振動軸に沿って、第１面３１１および第２面３２１が互いに逆位相になるように振動することをいう。
【0039】
また、第１面３１１には、第１光変調器３３である第１回折格子３３１が設けられ、第２面３２１には、第２光変調器３４である第２回折格子３４１が設けられている。第１回折格子３３１および第２回折格子３４１としては、例えば、図３に示すブレーズド回折格子の他、ラミナー回折格子等が挙げられる。
【0040】
このような振動素子３０は、信号生成部６から出力された駆動信号Ｓｄに基づいて発振する。振動素子３０の発振に必要な電力（駆動パワー）は、特に限定されないが、０．１μＷ～１００ｍＷ程度と小さい。このため、振動素子３０を備えることにより、レーザー干渉計１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。また、厚みすべり振動型素子は、他の振動モードを有する素子に比べて、耐衝撃性や温度特性に優れる点でも有用である。
【0041】
図３には、振動素子３０の変形方向を表す実線および破線の矢印を示している。実線の矢印で示す変形を生じる電圧、および、破線の矢印で示す変形を生じる電圧は、互いに逆相である。このため、図３に示す振動素子３０の第１面３１１（第１振動部３１）および第２面３２１（第２振動部３２）は、互いに逆相で振動する。その結果、第１回折格子３３１にレーザー光を照射した後、そのレーザー光を第２回折格子３４１にも照射すれば、２回の照射で互いに同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。
【0042】
例えば、図３に示す第１面３１１（第１振動部３１）が破線の矢印のように変位するとき、第２面３２１（第２振動部３２）は、第１面３１１の変位に同期して破線の矢印のように変位する。そうすると、第１面３１１に設けられた第１回折格子３３１にレーザー光Ｌ１を照射して＋Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトを与えた後、第２面３２１に設けられた第２回折格子３４１にレーザー光Ｌ２１を照射しても＋Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトを与えることができる。これは、第１面３１１および第２面３２１が、互いに逆相で振動しているためであり、かつ、光速が非常に大きく、２回の照射に伴う遅延量をほぼ無視することができるためである。以上のようにして、＋２Φｍ［Ｈｚ］の位相シフトに対応した変調信号を含むレーザー光Ｌ２２が得られる。
【0043】
なお、振動素子３０は、水晶振動子に限定されず、シリコン振動子であっても、セラミック振動子であってもよい。また、振動素子３０は、第１振動部３１および第２振動部３２に加え、追加の振動部として、第３振動部および第４振動部を有していてもよいし、それ以上の数の振動部を有していてもよい。この場合、追加の各振動部を、第１振動部３１または第２振動部３２と同期させて振動させるとともに、追加の各振動部に対してレーザー光を照射することにより、位相のシフト量をさらに増やすことができる。
【0044】
１．１．２．信号生成部
図１に示す信号生成部６は、振動素子３０に入力される駆動信号Ｓｄ、および、演算部５２に入力される基準信号Ｓｓを出力する。
図１に示す信号生成部６は、振動素子３０に入力される駆動信号Ｓｄ、および、演算部５２に入力される基準信号Ｓｓを出力する。
【0045】
本実施形態では、図１に示すように、信号生成部６が発振回路６１を備えている。発振回路６１は、振動素子３０を信号源として動作し、精度の高い周期信号を生成する。これにより、発振回路６１は、精度の高い駆動信号Ｓｄを出力するとともに、基準信号Ｓｓを出力する。そうすると、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓは、外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。そうすると、駆動信号Ｓｄにより駆動された振動素子３０を介して付加される変調信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、変調信号および基準信号Ｓｓが、演算部５２における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算部５２では、外乱を受けても、対象物１４の位置や速度を精度よく求めることができる。
【0046】
発振回路６１としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている発振回路が挙げられる。
【0047】
また、信号生成部６は、発振回路６１に代えて、ファンクションジェネレーターやシグナルジェネレーターのような信号発生器を備えていてもよい。
【0048】
１．２．本体部
１．２．１．演算部
本体部５９は、演算部５２を備える。演算部５２は、前処理部５３、復調処理部５５および復調信号出力部５７を有する。
１．２．１．演算部
本体部５９は、演算部５２を備える。演算部５２は、前処理部５３、復調処理部５５および復調信号出力部５７を有する。
【0049】
図１に示す演算部５２は、前処理部５３、復調処理部５５および復調信号出力部５７を有する。これらの機能部が発揮する機能は、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。具体的には、メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出し、実行することによって実現される。なお、これらの構成要素は、内部バスによって互いに通信可能になっている。
【0050】
プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が挙げられる。なお、これらのプロセッサーがソフトウェアを実行する方式に代えて、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が上述した機能を実現する方式を採用するようにしてもよい。
【0051】
メモリーとしては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等が挙げられる。
【0052】
外部インターフェースとしては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート、イーサネット（登録商標）ポート等が挙げられる。
【0053】
入力部としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、タッチパッド等の各種入力装置が挙げられる。表示部としては、例えば、液晶ディスプレイパネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイパネル等が挙げられる。
【0054】
なお、外部インターフェース、入力部および表示部は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。
【0055】
前処理部５３および復調処理部５５には、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている前処理部および復調部が適用できる。
【0056】
前処理部５３は、基準信号Ｓｓに基づいて受光信号に前処理を行う。前処理は、受光信号を２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２に分けた後、一方に基準信号を乗算し、その後、２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２を合算して前処理済み信号を出力する。
【0057】
復調処理部５５は、前処理部５３から出力された前処理済み信号から、基準信号Ｓｓに基づいて対象物１４の速度や位置に応じたサンプル信号を復調する。
【0058】
復調信号出力部５７は、復調処理部５５から出力された復調処理済み信号に対し、例えば位相アンラップ処理等を施すことにより、位相接続を行う。これにより、対象物１４の位置を算出する。これにより、レーザー干渉計１は、変位計となる。また、対象物１４の位置から速度を求めることができる。これにより、レーザー干渉計１は、速度計となる。
【0059】
１．２．２．変調信号の位相偏移（Ｂ値）とＳ／Ｎ比（信号対雑音比）との関係
光変調部１２で付加される変調信号には、位相偏移（Ｂ値）というパラメーターがある。このＢ値は、前処理部５３から出力される前処理済み信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）に影響を及ぼす。具体的には、Ｂ値を大きくするほど、前処理済み信号のＳ／Ｎ比が高くなる。前処理済み信号のＳ／Ｎ比を高めることにより、例えば振動素子３０の振動の振幅が小さいといった振動条件にかかわらず、演算部５２によって最終的に算出される対象物１４に由来のサンプル信号（ドップラー信号）をより高い精度で復調することができる。その結果、対象物１４の位置や速度の算出精度が高いレーザー干渉計１を実現することができる。
光変調部１２で付加される変調信号には、位相偏移（Ｂ値）というパラメーターがある。このＢ値は、前処理部５３から出力される前処理済み信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）に影響を及ぼす。具体的には、Ｂ値を大きくするほど、前処理済み信号のＳ／Ｎ比が高くなる。前処理済み信号のＳ／Ｎ比を高めることにより、例えば振動素子３０の振動の振幅が小さいといった振動条件にかかわらず、演算部５２によって最終的に算出される対象物１４に由来のサンプル信号（ドップラー信号）をより高い精度で復調することができる。その結果、対象物１４の位置や速度の算出精度が高いレーザー干渉計１を実現することができる。
【0060】
図４は、変調信号に混入させたノイズの割合と、図１に示す前処理部５３の内部で生成される２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２のＳ／Ｎ比と、の関係を示すグラフである。なお、図４では、上記関係を、図１に示す光変調部１２でレーザー光に付加される変調信号のＢ値ごとに曲線で示している。
【0061】
図４では、Ｂ値が０．５から１．５まで大きくなるとき、ノイズ割合によらず、２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２のＳ／Ｎ比も大きくなる傾向が認められる。このように、Ｂ値が大きいほど、２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２のＳ／Ｎ比を高めることができる。そこで、本実施形態は、前述したように、干渉光学系５０内に迂回光路７を設け、振動素子３０に設けられた第１回折格子３３１および第２回折格子３４１にそれぞれレーザー光を照射するように構成されている。つまり、干渉光学系５０は、振動素子３０にレーザー光を２回照射するように構成されている。
【0062】
前述したように、位相シフト量Φｍは、Φｍ＝Ｂｓｉｎ（２π＊ｆｍ＊ｔ）で表される。このため、変調信号の位相偏移（Ｂ値）は、レーザー光の位相シフトの量に比例する。したがって、位相シフトの量を２倍にすることができれば、Ｂ値を２倍にすることができる。
【0063】
なお、本実施形態では、レーザー光に対して２回の位相変調を行うが、この回数は３回以上であってもよい。ｎを２以上の整数とするとき、レーザー光に対する位相変調の回数をｎ回にできれば、理論上、Ｂ値をｎ倍にすることができる。
【0064】
１．２．３．複数回の位相変調におけるタイムラグがＢ値に及ぼす影響
本実施形態では、前述したように、複数回（ｎ回）の位相変調を行う。前述したように、光速は非常に大きいため、１回目の位相変調とｎ回目の位相変調とのタイムラグΔｔは、ほとんど無視できる。しかしながら、迂回光路７の構成によっては、１回目の照射とｎ回目の照射との間でレーザー光が辿る光学的距離が長くなり、タイムラグΔｔが無視できなくなる場合もある。そこで、タイムラグΔｔとＢ値に及ぼす影響との関係に基づいて、光学デバイス１に求められる構成を検討する。
本実施形態では、前述したように、複数回（ｎ回）の位相変調を行う。前述したように、光速は非常に大きいため、１回目の位相変調とｎ回目の位相変調とのタイムラグΔｔは、ほとんど無視できる。しかしながら、迂回光路７の構成によっては、１回目の照射とｎ回目の照射との間でレーザー光が辿る光学的距離が長くなり、タイムラグΔｔが無視できなくなる場合もある。そこで、タイムラグΔｔとＢ値に及ぼす影響との関係に基づいて、光学デバイス１に求められる構成を検討する。
【0065】
振動素子３０が駆動信号Ｓｄにより駆動するときの周波数をｆＭ［Ｈｚ］とし、レーザー光を１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間にレーザー光が進んだ光学的距離をＬｔ［ｍ］とする。このとき、迂回光路７は、下記式（１）を満たすことが好ましい。
Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭ （１）
Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭ （１）
【0066】
迂回光路７が上記式（１）を満たすことにより、タイムラグΔｔがＢ値に及ぼす影響を十分に小さく抑えることができる。
【0067】
図５は、振動素子３０の振動周期に対するタイムラグΔｔの比率［％］と、複数回の変調によるＢ値の相対値と、の関係を示すグラフである。なお、以下の説明では、振動素子３０の振動周期に対するタイムラグΔｔの比率を「規格化タイムラグ」ともいう。また、Ｂ値の相対値とは、タイムラグΔｔがゼロのときのＢ値を１００％としたときの、各Ｂ値の相対値である。
【0068】
図５に示すように、規格化タイムラグが大きくなると、Ｂ値の相対値が小さくなる傾向があるが、規格化タイムラグが十分に小さい範囲では、Ｂ値の相対値の減少幅が比較的少ない。例えば、規格化タイムラグを３％以下に抑えることができれば、規格化タイムラグが０％の場合のＢ値に対して、９９％以上のＢ値の相対値を確保することができる。
【0069】
前述した光学的距離Ｌｔ［ｍ］は、Ｌｔ＝ｃ＊Δｔで表される。ｃは光速である。この式にｃ＝３×１０８［ｍ／ｓ］、Δｔ＝０．０３＊Ｔを代入すると、Ｌｔ＝９×１０６Ｔとなる。Ｔは、振動素子３０の振動周期であり、１／ｆＭである。したがって、９９％以上のＢ値の相対値を確保する条件として、Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭが導かれる。
【0070】
一方、位相変調を行う回数が多くなれば、その分、光学的距離Ｌｔが長くなり、タイムラグΔｔが大きくなる。ｎ回目の照射のとき、レーザー光が照射される回折格子の振動の、その反対側に位置する回折格子の振動に対する遅延が、振動周期の１／４以下に抑えられていればよい。これを満たすことにより、１回目の照射からｎ回目の照射までの全ての照射において、Ｂ値の相対値を大きくする方向に位相をシフトさせる確率を高めることができる。これに対し、例えば光学的距離Ｌｔが長くなることで、遅延が、振動周期の１／４超になる場合、一部の照射は、Ｂ値の相対値を小さくする方向に位相をシフトさせてしまうおそれがある。
【0071】
以上のことから、迂回光路７は、下記式（２）を満たすことが好ましい。
ｎ≦ｃ／（４ＬｆＭ） （２）
ｎ≦ｃ／（４ＬｆＭ） （２）
【0072】
迂回光路７に設定されている、振動素子３０にレーザー光を照射する回数ｎが、上記式（２）を満たすことにより、回数ｎが大きすぎることによる弊害、つまり、回数ｎに見合ったＢ値の増大の効果を受けられないという問題を回避することができる。換言すれば、回数ｎが上記式（２）を満たすことにより、各照射でＢ値の増大に寄与できるため、Ｂ値をより確実に大きくすることができる。その結果、前処理部５３が出力する前処理済み信号のＳ／Ｎ比をより確実に高めることができる。
【0073】
なお、上記式（２）において、Ｌは、レーザー光をｎ－１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間にレーザー光が進んだ光学的距離［ｍ］である。例えば、図２に示す迂回光路７の場合、ｎ＝２であるから、レーザー光Ｌ１が振動素子３０の第１振動部３１で変調された時点から、レーザー光Ｌ２１が振動素子３０の第２振動部３２で変調されるまでの間に、レーザー光が辿る物理的距離と、レーザー光Ｌ２１が通過した媒質の屈折率と、の積を、光学的距離Ｌとすればよい。
【0074】
一例として、光学的距離Ｌが０．１ｍであり、振動素子３０が駆動信号Ｓｄにより駆動するときの周波数ｆＭを１００ＭＨｚとするとき、振動素子３０にレーザー光を照射する回数ｎは、ｎ≦７５を満たすことが好ましい。
【0075】
２．第１実施形態の第１変形例
次に、第１実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第１実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
【0076】
図６は、第１実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0077】
以下、第１実施形態の第１変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６において、前記第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0078】
第１変形例は、振動素子３０にレーザー光を３回照射するように構成されている以外、第１実施形態と同様である。
【0079】
図６に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０と、を備える。
【0080】
図６に示す光変調部１２が備える迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図６に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に３回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0081】
ビームスプリッター４１は、無偏光ビームスプリッターであり、偏光によらず、所定の分割比でレーザー光を分割する。図６の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0082】
図６に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ミラー７８と、を備える。
【0083】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５、７８を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、再びミラー７８、７５、７４を介して、ビームスプリッター７２に戻る。このレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。レーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0084】
以上のように、図６に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に３回照射することが可能になっている。これにより、３回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を３倍にすることができ、Ｂ値を３倍にすることができる。
以上のような第１変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第１変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0085】
３．第１実施形態の第２変形例
次に、第１実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第１実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
【0086】
図７は、第１実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0087】
以下、第１実施形態の第２変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態や第１変形例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図７において、前記第１実施形態や第１変形例と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0088】
第２変形例は、振動素子３０にレーザー光を４回照射するように構成されている以外、第１変形例と同様である。
【0089】
図７に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０と、を備える。図７の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0090】
図７に示す光変調部１２が備える迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図７に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に４回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0091】
図７に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ビームスプリッター７６と、１／４波長板７７と、ミラー７９と、を備える。
【0092】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５およびビームスプリッター７６を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７７およびビームスプリッター７６を介して、ミラー７９で反射された後、ビームスプリッター７６および１／４波長板７７を介して、再び第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２２には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７７、ビームスプリッター７６、ミラー７５、７４、ビームスプリッター７２および１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２４が生成される。レーザー光Ｌ２４は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0093】
以上のように、図７に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に４回照射することが可能になっている。これにより、４回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を４倍にすることができ、Ｂ値を４倍にすることができる。例えば、レーザー光を振動素子３０に１回照射することで１．３のＢ値が得られる場合、理論的には、２回照射することで２．６のＢ値が得られ、３回照射することで３．９のＢ値が得られ、４回照射することで５．２のＢ値が得られる。
以上のような第２変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第２変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0094】
４．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第２実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
【0095】
図８は、第２実施形態に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。図９は、図８の光変調部１２が備える振動素子３０を示す斜視図である。図９では、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。各軸は、矢印で示され、矢印の先端側を各軸の「プラス側」といい、矢印の基端側を各軸の「マイナス側」という。
【0096】
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図８および図９において、前記実施形態やその変形例と同様の構成については、同一の符号を付している。
第２実施形態は、振動素子３０の形状が異なること以外、第１実施形態と同様である。
第２実施形態は、振動素子３０の形状が異なること以外、第１実施形態と同様である。
【0097】
図８に示す振動素子３０は、図９に示すように、ＸーＹ面内で振動する面内振動モードを有する音叉型素子である。図９に示す振動素子３０は、第１振動部３１である第１腕部３１２、および、第２振動部３２である第２腕部３２２を有する。図９に示す第１腕部３１２（第１振動部３１）および第２腕部３２２（第２振動部３２）は、Ｘ－Ｙ面内において、互いに逆相で振動する。
【0098】
また、第１腕部３１２の表面には、第１光変調器３３である第１反射面３３２が設けられ、第２腕部３２２の表面には、第２光変調器３４である第２反射面３４２が設けられている。第１反射面３３２および第２反射面３４２としては、レーザー光を反射する面であれば、特に限定されないが、例えばＸ軸と交差する面に設けられた金属薄膜等が挙げられる。なお、振動素子３０は、図示しないが、例えば、圧電体と、圧電体に設けられた電極と、を有する。このうち、電極は、金属材料で構成される。このため、電極の表面を、第１反射面３３２および第２反射面３４２として利用し得る。
【0099】
図９には、振動素子３０の変形方向を表す実線および破線の矢印を示している。実線の矢印で示す変形を生じる電圧、および、破線の矢印で示す変形を生じる電圧は、互いに逆相である。このため、図９に示す振動素子３０の第１腕部３１２（第１振動部３１）および第２腕部３２２（第２振動部３２）は、互いに逆相で振動する。その結果、第１反射面３３２にレーザー光を照射した後、そのレーザー光を第２反射面３４２にも照射すれば、２回の照射で互いに同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。
【0100】
また、図９に示す振動素子３０は、Ｘ－Ｙ面を腕部形成面とするとき、腕部形成面の面内において第１腕部３１２および第２腕部３２２が並ぶように構成されている。前述した面内振動モードとは、腕部形成面の面内において、図９に実線の矢印で示すように、第１腕部３１２および第２腕部３２２が互いに離れる変形と、図９に破線の矢印で示すように、第１腕部３１２および第２腕部３２２が互いに近づく変形と、を繰り返す振動モードである。換言すれば、面内振動モードは、第１腕部３１２がＸ軸マイナス側に変位し、第２腕部３２２がＸ軸プラス側に変位する変形と、第１腕部３１２がＸ軸プラス側に変位し、第２腕部３２２がＸ軸マイナス側に変位する変形と、を繰り返す振動モードである。
【0101】
また、面内振動モードは、第１腕部３１２および第２腕部３２２の屈曲振動を伴うことから、厚みすべり振動モードに比べて、第１反射面３３２および第２反射面３４２の振幅を大きく確保しやすい。このため、レーザー光を振動素子３０に１回照射するだけでも、一例として１７．７という大きなＢ値が得られる。この場合、理論的には、２回照射することで３５．４のＢ値が得られ、３回照射することで５３．１のＢ値が得られ、４回照射することで７０．８のＢ値が得られる。
【0102】
なお、Ｂ値を目的とする値に制御したい場合に備え、Ｂ値を小さくすることもできる。例えば、振動素子３０について、高次で振動する振動モードを利用することにより、Ｂ値を小さくすることができる。
【0103】
このような振動素子３０は、信号生成部６から出力された駆動信号Ｓｄに基づいて発振する。振動素子３０の発振に必要な電力（駆動パワー）は、特に限定されないが、０．１μＷ～１００ｍＷ程度と小さい。このため、振動素子３０を備えることにより、レーザー干渉計１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。また、音叉型素子は、回折格子等を設ける必要がなく、また、電極の表面を第１光変調器３３および第２光変調器３４として用いることができるため、構造の簡素化が図られやすい点でも有用である。
【0104】
振動素子３０のＹ軸方向の長さは、例えば、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下程度とされる。振動素子３０のＺ軸方向の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
【0105】
音叉型素子の形状としては、図９に示すような、２脚音叉型に限定されず、３脚音叉型、４脚音叉型の片持ち梁形状等が挙げられる。
【0106】
また、図８に示す振動素子３０としては、例えば、水晶振動子、シリコン振動子、セラミック振動子等が挙げられる。
【0107】
水晶振動子は、圧電体である水晶片と、水晶片に設けられた電極と、を有する。このような水晶振動子では、水晶が持つ極めて高いＱ値を利用して、レーザー光Ｌ１にＳ／Ｎ比の高い変調信号を付加することができる。水晶片には、例えば、水晶Ｚカット平板等の水晶基板から切り出されたものが用いられる。水晶振動子の発振周波数は、例えば、１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下程度であるのが好ましく、１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下程度であるのがより好ましい。
【0108】
また、水晶片の厚さは、１００μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。この程度の厚さであれば、水晶片の側面、つまり、水晶基板から切り出されたときの切断面に成膜された電極面が第１反射面３３２および第２反射面３４２となる場合でも、十分な面積を確保することができる。
【0109】
シリコン振動子は、単結晶シリコン基板からＭＥＭＳ技術を用いて製造される単結晶シリコン片と、圧電膜と、電極と、を備える振動子である。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。単結晶シリコン片の形状としては、例えば、２脚音叉型、３脚音叉型等の片持ち梁形状、両持ち梁形状等が挙げられる。シリコン振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。
【0110】
セラミック振動子は、圧電セラミックスを焼き固めて製造される圧電セラミック片と、電極と、を備える振動子である。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）等が挙げられる。セラミック振動子の発振周波数は、例えば数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚ程度である。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0111】
５．第２実施形態の第１変形例
次に、第２実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
図１０は、第２実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
次に、第２実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
図１０は、第２実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0112】
以下、第２実施形態の第１変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態やその変形例および第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１０において、前記第１実施形態やその変形例および前記第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0113】
第１変形例は、振動素子３０にレーザー光を３回照射するように構成されている以外、第２実施形態と同様である。
【0114】
図１０に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０と、を備える。図１０の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0115】
図１０に示す光変調部１２が備える迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図１０に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に３回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0116】
ビームスプリッター４１は、無偏光ビームスプリッターであり、偏光によらず、所定の分割比でレーザー光を分割する。
【0117】
図１０に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ミラー７８と、を備える。
【0118】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５、７８を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、再びミラー７８、７５、７４を介して、ビームスプリッター７２に戻る。このレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。レーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0119】
以上のように、図１０に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に３回照射することが可能になっている。これにより、３回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を３倍にすることができ、Ｂ値を３倍にすることができる。
以上のような第１変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第１変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【0120】
６．第２実施形態の第２変形例
次に、第２実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第２実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
【0121】
図１１は、第２実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0122】
以下、第２実施形態の第２変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態やその変形例および第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１１において、前記第１実施形態やその変形例および前記第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0123】
第２変形例は、振動素子３０にレーザー光を４回照射するように構成されている以外、第１変形例と同様である。
【0124】
図１１に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０と、を備える。図１１の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0125】
図１１に示す光変調部１２が備える迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図１１に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に４回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0126】
図１１に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ビームスプリッター７６と、１／４波長板７７と、ミラー７９と、を備える。
【0127】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５およびビームスプリッター７６を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７７およびビームスプリッター７６を介して、ミラー７９で反射された後、ビームスプリッター７６および１／４波長板７７を介して、再び第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２２には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７７、ビームスプリッター７６、ミラー７５、７４、ビームスプリッター７２および１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２４が生成される。レーザー光Ｌ２４は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0128】
以上のように、図１１に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に４回照射することが可能になっている。これにより、４回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を４倍にすることができ、Ｂ値を４倍にすることができる。
以上のような第２変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第２変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【0129】
７．第３実施形態
次に、第３実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第３実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
【0130】
図１２は、第３実施形態に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。図１３は、図１２の光変調部１２が備える振動素子３０を示す斜視図である。図１３では、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。各軸は、矢印で示され、矢印の先端側を各軸の「プラス側」といい、矢印の基端側を各軸の「マイナス側」という。
【0131】
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１２および図１３において、前記実施形態やその変形例と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0132】
第３実施形態は、振動素子３０の振動モードが異なること以外、第２実施形態と同様である。
【0133】
図１２に示す振動素子３０は、前述した面内振動モードに加え、図１３に示すように、Ｚ軸方向に振動する面外振動モードを有する音叉型素子である。図１３に示す振動素子３０は、第１振動部３１である第１腕部３１２、および、第２振動部３２である第２腕部３２２を有する。このうち、面外振動モードでは、図１３に示す第１腕部３１２（第１振動部３１）および第２腕部３２２（第２振動部３２）が、Ｚ軸に沿って互いに逆相で振動する。具体的には、図１３に実線の矢印で示すように、第１腕部３１２がＺ軸プラス側に変位し、第２腕部３２２がＺ軸マイナス側に変位する変形と、図１３に破線の矢印で示すように、第１腕部３１２がＺ軸マイナス側に変位し、第２腕部３２２がＺ軸プラス側に変位する変形と、を繰り返す振動モードである。
【0134】
また、第１腕部３１２の表面には、第１光変調器３３である第１反射面３３２が設けられ、第２腕部３２２の表面には、第２光変調器３４である第２反射面３４２が設けられている。第１反射面３３２および第２反射面３４２としては、レーザー光を反射する面であれば、特に限定されないが、例えばＺ軸と交差する面に設けられた金属薄膜等が挙げられる。なお、振動素子３０は、図示しないが、例えば、圧電体と、圧電体に設けられた電極と、を有する。このうち、電極は、金属材料で構成される。このため、電極の表面を、第１反射面３３２および第２反射面３４２として利用し得る。また、Ｚ軸と交差する面は、Ｘ軸と交差する面に比べて金属薄膜等を設けるためのスペースを確保しやすい。このため、図１３に示す第１反射面３３２および第２反射面３４２は、レーザー光の照射位置のずれに対する許容性が高い。それにより、第３実施形態に係るレーザー干渉計１は、干渉光学系５０の製造容易性に優れるという利点もある。
【0135】
振動素子３０では、面内振動モードを主振動モードとするとき、面外振動モードは副次振動モードとして扱われる。通常の用途では、主振動モードが例えばクロック源のための発振モードとして利用され、副次振動モードはスプリアスとして避けられるか、抑圧して使用されない。
【0136】
これに対し、本実施形態では、この面外振動モードを抑圧することなく積極的に励振する。これにより、レーザー光の進行方向における第１反射面３３２および第２反射面３４２の変位量を十分に確保して、Ｂ値を高めやすくなる。
【0137】
図１４は、主振動モード（面内振動モード）の周波数特性と、副次振動モード（面外振動モード）の周波数特性と、を示す概念図である。図１４の横軸は振動の周波数であり、縦軸は振動の速度振幅である。なお、本明細書では、図１４に示す振動の速度振幅の周波数依存性を示す曲線で表される特性のことを、各振動モードの「周波数特性」という。
【0138】
主振動モードは、信号生成部６から出力された駆動信号Ｓｄにより励振される。信号生成部６によって振動素子３０が励振されるときの周波数を発振周波数ｆｏｓｃとする。また、振動素子３０単体の主振動モードの固有振動数をｆＱとする。一方、振動素子３０単体に存在する複数の副次振動モードの固有振動数をａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅとする。
【0139】
信号生成部６の発振周波数ｆｏｓｃは、振動素子３０の固有振動数ｆＱに応じた値となる。図１４の例では、固有振動数ｆＱよりもわずかに高い周波数が、発振周波数ｆｏｓｃとなる。主振動モードの周波数特性は、固有振動数ｆＱをピークとし、両側に向かって減少する曲線で表される。
【0140】
一方、図１４の例では、５種類の副次振動モードが存在しているが、これらの固有振動数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、固有振動数ｆＱを挟んで分布している。副次振動モードの周波数特性は、固有振動数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをそれぞれピークとし、両側に向かって減少する曲線で表される。
【0141】
副次振動モードの周波数特性のうち、固有振動数ｂ、ｃ、ｄをピークとする周波数特性は、それぞれ、曲線の一部が発振周波数ｆｏｓｃと重なっている。この場合、固有振動数ｂ、ｃ、ｄの副次振動モードは、主振動モードとエネルギー的に結合し、励振される。このため、主振動モードが励振されるように信号生成部６の発振周波数ｆｏｓｃを設定すると、これらの副次振動モードも励振することができる。これに対し、固有振動数ａ、ｅをピークとする周波数特性は、それぞれ、曲線が発振周波数ｆｏｓｃと重なっていない。このため、これらの副次振動モードは、主振動モードと結合しないため、励振されない。
【0142】
また、副次振動モードは、主振動モードに比べて、温度特性によって周波数の不安定化が生じやすい。このため、通常の用途では、副次振動モードの固有振動数を、主振動モードから離すことが求められる。
【0143】
しかしながら、振動素子３０が基準信号Ｓｓを出力するための信号源となっている場合、周波数のゆらぎを含む基準信号Ｓｓに基づいて演算部５２でリアルタイムに復調処理が行われる。このため、基準信号Ｓｓに周波数のゆらぎが含まれていても、復調処理においてそのゆらぎを相殺または減少させることができる。このため、副次振動モードの固有振動数に制約が少なくなり、振動素子３０の設計および製造が容易になるという利点がある。
【0144】
なお、副次振動モードの固有振動数は、例えば第１腕部３１２および第２腕部３２２のＹ軸方向における長さ、Ｚ軸方向における厚さ、Ｘ－Ｚ面による断面形状といった振動素子３０の形状、図示しない電極の配置等、振動素子３０の構造によって調整可能である。つまり、主振動モードの固有振動数ｆＱに対して近接した固有振動数を実現するように、振動素子３０の構造を調整すればよい。具体的な構造は、実験やシミュレーションを行うことで、見出すことができる。一例を挙げると、第１腕部３１２および第２腕部３２２の断面形状を、長方形ではなく平行四辺形にすることで、副次振動モードが励振されやすくなる。そして、平行四辺形の形状を変えることで、副次振動モードの固有振動数を調整することができる。
【0145】
また、面外振動モードでは、厚みすべり振動モードに比べて、第１反射面３３２および第２反射面３４２の振幅を大きく確保しやすい。このため、レーザー光を振動素子３０に１回照射するだけでも、一例として２．６という大きなＢ値が得られる。この場合、理論的には、２回照射することで５．２のＢ値が得られ、３回照射することで７．８のＢ値が得られ、４回照射することで１０．４のＢ値が得られる。
【0146】
音叉型素子の形状としては、図１３に示すような、２脚音叉型に限定されず、３脚音叉型、４脚音叉型の片持ち梁形状等が挙げられる。
【0147】
また、図８に示す振動素子３０としては、例えば、水晶振動子、シリコン振動子、セラミック振動子等が挙げられる。
【0148】
また、面外振動モードは、面内振動モードに比べて、固有振動数が低い場合が多い。このため、面外振動モードを利用することで、変調信号や基準信号Ｓｓの周波数を下げることができる。具体的には、面外振動モードの固有振動数は、例えば１ＭＨｚ未満である場合が多いため、変調信号や基準信号Ｓｓの周波数についても、この程度まで下げることができる。このため、これらの信号を処理するアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプロセッサーの処理性能を下げることができる。その結果、レーザー干渉計１の低コスト化を図りやすくなる。
【0149】
シリコン振動子では、面外振動を主振動とする設計が可能である。この場合、例えば片持ち梁形状をなす単結晶シリコン片の厚さを薄くすることにより、Ｑ値をより高めることができる。そして、圧電膜の配置等により、面外振動を励振することができる。
【0150】
セラミック振動子では、屈曲振動だけでなく、長さ振動や広がり振動といった面内振動に結合される面外振動を利用することができる。
【0151】
以上のような第３実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が得られる。
【0152】
８．第３実施形態の第１変形例
次に、第３実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第３実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
【0153】
図１５は、第３実施形態の第１変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0154】
以下、第３実施形態の第１変形例について説明するが、以下の説明では、第１、第２実施形態やその変形例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１５において、前記第１、第２実施形態やその変形例と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0155】
第１変形例は、振動素子３０にレーザー光を３回照射するように構成されている以外、第３実施形態と同様である。
【0156】
図１５に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０と、を備える。図１５の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0157】
図１５に示す光変調部１２が備える迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図１５に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に３回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0158】
ビームスプリッター４１は、無偏光ビームスプリッターであり、偏光によらず、所定の分割比でレーザー光を分割する。
【0159】
図１５に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ミラー７８と、を備える。
【0160】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５、７８を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、再びミラー７８、７５、７４を介して、ビームスプリッター７２に戻る。このレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。レーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0161】
以上のように、図１５に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に３回照射することが可能になっている。これにより、３回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を３倍にすることができ、Ｂ値を３倍にすることができる。
以上のような第１変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第１変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【0162】
９．第３実施形態の第２変形例
次に、第３実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
次に、第３実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計について説明する。
【0163】
図１６は、第３実施形態の第２変形例に係るレーザー干渉計１が備えるセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。
【0164】
以下、第３実施形態の第２変形例について説明するが、以下の説明では、第１、第２実施形態やその変形例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１６において、前記第１、第２実施形態やその変形例と同様の構成については、同一の符号を付している。
【0165】
第２変形例は、振動素子３０にレーザー光を４回照射するように構成されている以外、第１変形例と同様である。
【0166】
図１６に示す干渉光学系５０は、光源２と、ビームスプリッター４１と、光変調部１２と、偏光子４６と、受光素子１０（受光部）と、を備える。図１６の構成では、ビームスプリッター４１に入射させるレーザー光Ｌ１をＰ偏光とするのが望ましい。
【0167】
図１６に示す迂回光路７には、ビームスプリッター４１で分割された２つの光のうち、一方のレーザー光Ｌ１が入射する。図１６に示す迂回光路７は、レーザー光Ｌ１を振動素子３０に４回照射するように構成されている。他方のレーザー光Ｌ１は、対象物１４に入射した後、レーザー光Ｌ３として受光素子１０に入射する。
【0168】
図１６に示す迂回光路７は、ビームスプリッター７２と、１／４波長板７３と、ミラー７４と、ミラー７５と、ビームスプリッター７６と、１／４波長板７７と、ミラー７９と、を備える。
【0169】
迂回光路７に入射したレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター７２を透過し、１／４波長板７３を介して、振動素子３０が備える第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２１が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２１は、再び１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻る。レーザー光Ｌ２１は、ミラー７４、７５およびビームスプリッター７６を介して、振動素子３０が備える第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２１には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２２が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２２は、１／４波長板７７およびビームスプリッター７６を介して、ミラー７９で反射された後、ビームスプリッター７６および１／４波長板７７を介して、再び第２振動部３２に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２２には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２３が生成される。生成されたレーザー光Ｌ２３は、１／４波長板７７、ビームスプリッター７６、ミラー７５、７４、ビームスプリッター７２および１／４波長板７３を介して、再び第１振動部３１に入射する。これにより、レーザー光Ｌ２３には、変調信号が付加され、レーザー光Ｌ２４が生成される。レーザー光Ｌ２４は、１／４波長板７３を介してビームスプリッター７２に戻り、さらにビームスプリッター４１および偏光子４６を介して受光素子１０に入射する。
【0170】
以上のように、図１６に示す迂回光路７では、レーザー光を振動素子３０に４回照射することが可能になっている。これにより、４回の照射でいずれも同じ方向にレーザー光の位相をシフトさせることができる。その結果、レーザー光の位相シフトの量を４倍にすることができ、Ｂ値を４倍にすることができる。
以上のような第２変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第２変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【0171】
１０．各実施形態が奏する効果
以上のように、実施形態に係るレーザー干渉計１は、光源２と、光変調部１２と、受光素子１０（受光部）と、演算部５２と、信号生成部６と、を備える。光源２２は、レーザー光を射出する。光変調部１２は、駆動信号Ｓｄにより駆動する振動素子３０を備え、振動素子３０を用いてレーザー光に変調信号を重畳させる。受光素子１０は、対象物１４に由来するサンプル信号および変調信号を含むレーザー光を受光し、受光信号を出力する。演算部５２は、基準信号Ｓｓに基づいて、受光信号からサンプル信号を復調する。信号生成部６は、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力する。
以上のように、実施形態に係るレーザー干渉計１は、光源２と、光変調部１２と、受光素子１０（受光部）と、演算部５２と、信号生成部６と、を備える。光源２２は、レーザー光を射出する。光変調部１２は、駆動信号Ｓｄにより駆動する振動素子３０を備え、振動素子３０を用いてレーザー光に変調信号を重畳させる。受光素子１０は、対象物１４に由来するサンプル信号および変調信号を含むレーザー光を受光し、受光信号を出力する。演算部５２は、基準信号Ｓｓに基づいて、受光信号からサンプル信号を復調する。信号生成部６は、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力する。
【0172】
また、光変調部１２は、振動素子３０と、第１光変調器３３と、第２光変調器３４と、迂回光路７と、を有する。振動素子３０は、第１振動部３１、および、第１振動部３１と逆相で振動する第２振動部３２を有する。第１光変調器３３は、第１振動部３１に設けられ、レーザー光を変調させる。第２光変調器３４は、第２振動部３２に設けられ、第１光変調器３３で変調されたレーザー光を変調させる。迂回光路７は、第１光変調器３３で変調されたレーザー光を第２光変調器３４に入射させる。
【0173】
このような構成によれば、変調信号の位相偏移（Ｂ値）を大きくすることができるので、演算部５２で処理される信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。これにより、振動素子３０の振動条件によらず、対象物１４に由来するサンプル信号（ドップラー信号）をより高い精度で復調することができる。その結果、対象物の位置や速度の算出精度が高いレーザー干渉計１を実現することができる。
【0174】
また、振動素子３０は、互いに表裏の関係を有する、第１振動部３１である第１面３１１、および、第２振動部３２である第２面３２１、を有し、厚みすべり振動モードを有する厚みすべり振動型素子であってもよい。この場合、第１光変調器３３は、厚みすべり振動型素子の第１面３１１に設けられる第１回折格子３３１であり、第２光変調器３４は、厚みすべり振動型素子の第２面３２１に設けられる第２回折格子３４１である。
【0175】
このような構成によれば、レーザー干渉計１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。また、厚みすべり振動型素子は、他の振動モードを有する素子に比べて、耐衝撃性や温度特性に優れる点でも有用である。
【0176】
また、振動素子３０は、第１振動部３１である第１腕部３１２、および、第２振動部３２である第２腕部３２２、を有する音叉型素子であってもよい。この場合、第１光変調器３３は、第１腕部３１２の表面に設けられる第１反射面３３２であり、第２光変調器３４は、第２腕部３２２の表面に設けられる第２反射面３４２である。
【0177】
このような構成によれば、レーザー干渉計１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。また、音叉型素子は、回折格子等を設ける必要がなく、電極の表面を第１光変調器３３および第２光変調器３４として用いることができるため、構造の簡素化が図られやすい点でも有用である。
【0178】
また、音叉型素子は、面内振動モードを有していてもよい。この面内振動モードは、第１腕部３１２および第２腕部３２２が並ぶ腕部形成面の面内において振動するモードである。
【0179】
これにより、音叉型素子は、第１反射面３３２および第２反射面３４２の振幅を大きく確保することができる。これにより、Ｂ値をより大きくすることができる。
【0180】
また、音叉型素子は、面外振動モードを有していてもよい。この面外振動モードは、第１腕部３１２および第２腕部３２２が並ぶ腕部形成面と交差する方向に振動するモードである。
【0181】
これにより、音叉型素子は、第１反射面３３２および第２反射面３４２の振幅を大きく確保することができる。これにより、Ｂ値をより大きくすることができる。また、レーザー光の変調において面外振動モードを利用することにより、広い面積を持つ第１反射面３３２および第２反射面３４２を光反射面として利用することができる。これらは、レーザー光の照射位置のずれに対する許容性が高いため、製造容易性に優れるレーザー干渉計１を実現することができる。
【0182】
また、信号生成部６は、振動素子３０を信号源とし、振動素子３０に駆動信号Ｓｄを出力し、振動素子３０を発振させることにより、基準信号Ｓｓを出力する発振回路６１を備える。
【0183】
これにより、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓは、外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。そうすると、駆動信号Ｓｄにより駆動された振動素子３０を介して付加される変調信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、変調信号および基準信号Ｓｓが、演算部５２における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算部５２では、外乱を受けても、対象物１４の位置や速度を精度よく求めることができる。
【0184】
また、振動素子３０は、水晶振動子であることが好ましい。水晶振動子は、高いＱ値を有することから、レーザー光Ｌ１にＳ／Ｎ比の高い変調信号を付加することができる。
【0185】
また、ｎを２以上の整数とするとき、光変調部１２は、レーザー光Ｌ１をｎ回以上変調させる機能を有する。そして、振動素子３０が駆動信号Ｓｄにより駆動するときの周波数をｆＭ［Ｈｚ］とし、レーザー光を１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間にレーザー光が進んだ光学的距離をＬｔ［ｍ］とするとき、迂回光路７は、Ｌｔ≦９×１０６／ｆＭを満たすことが好ましい。
【0186】
これにより、１回目の位相変調とｎ回目の位相変調とのタイムラグがＢ値に及ぼす影響を十分に小さく抑えることができる。その結果、１回目の照射からｎ回目の照射までの全ての照射において、Ｂ値を大きくする方向に位相変調させる確率を高めることができる。
【0187】
レーザー光をｎ－１回変調させた時点からｎ回変調させるまでの間にレーザー光が進んだ光学的距離をＬ［ｍ］とし、光速をｃ［ｍ／ｓ］とするとき、迂回光路７は、ｎ≦ｃ／（４ＬｆＭ）を満たすことが好ましい。
【0188】
これにより、各照射でＢ値の増大に寄与できるため、Ｂ値をより確実に大きくすることができる。その結果、前処理部５３が出力する前処理済み信号のＳ／Ｎ比をより確実に高めることができる。
【0189】
以上、本発明のレーザー干渉計を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザー干渉計は、前記実施形態やその変形例に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前記実施形態やその変形例に係るレーザー干渉計には、他の任意の構成物が付加されていてもよい。さらに、本発明のレーザー干渉計は、前記実施形態やその変形例のうちの２つ以上を含み合わせたものであってもよい。また、本発明のレーザー干渉計が有する各機能部は、複数の要素に分割されていてもよく、複数の機能部が１つに統合されていてもよい。
【0190】
本発明のレーザー干渉計は、前述した変位計や速度計の他、例えば、振動計、傾斜計、距離計（測長器）等にも適用可能である。また、本発明のレーザー干渉計の用途としては、距離計測、３Ｄイメージング、分光等を可能にする光コム干渉計測技術、角速度センサー、角加速度センサー等を実現する光ファイバージャイロ、移動ミラーデバイスを備えるフーリエ分光器が挙げられる。
【0191】
また、光源、光変調部および受光素子のうちの２つ以上は、同一の基板上に載置されていてもよい。これにより、干渉光学系の小型化および軽量化を容易に図るとともに、組立容易性を高めることができる。
【0192】
また、前記実施形態やその変形例は、いわゆるマイケルソン型干渉光学系を有するが、本発明のレーザー干渉計は、その他の方式の干渉光学系、例えばマッハツェンダー型干渉光学系を有するものにも適用可能である。
【符号の説明】
【0193】
１…レーザー干渉計、２…光源、６…信号生成部、７…迂回光路、１０…受光素子、１２…光変調部、１４…対象物、２２…光源、３０…振動素子、３１…第１振動部、３２…第２振動部、３３…第１光変調器、３４…第２光変調器、４１…ビームスプリッター、４２…ビームスプリッター、４３…１／４波長板、４４…ミラー、４５…ミラー、４６…偏光子、５０…干渉光学系、５１…センサーヘッド部、５２…演算部、５３…前処理部、５５…復調処理部、５７…復調信号出力部、５９…本体部、６１…発振回路、７２…ビームスプリッター、７３…１／４波長板、７４…ミラー、７５…ミラー、７６…ビームスプリッター、７７…１／４波長板、７８…ミラー、７９…ミラー、３１１…第１面、３１２…第１腕部、３２１…第２面、３２２…第２腕部、３３１…第１回折格子、３３２…第１反射面、３４１…第２回折格子、３４２…第２反射面、Ｌ１…レーザー光、Ｌ２１…レーザー光、Ｌ２２…レーザー光、Ｌ２３…レーザー光、Ｌ２４…レーザー光、Ｌ３…レーザー光、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｓ…基準信号、ａ…固有振動数、ｂ…固有振動数、ｃ…固有振動数、ｄ…固有振動数、ｅ…固有振動数、ｆＱ…固有振動数、ｆｏｓｃ…発振周波数
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】